โมดูลออปติคัล 400G: คุณสมบัติหลักและคุณประโยชน์

 

ความเป็นจริงของ PAM4

 

ต่อไปนี้เป็นสิ่งที่ฉันใช้เวลาสักพักเพื่อทำความเข้าใจ: PAM4 ไม่ใช่แค่ "NRZ ที่ดีกว่า" เป็นความท้าทายด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยพื้นฐานที่แตกต่างกัน

NRZ ให้ระดับแอมพลิจูดแก่เราสองระดับ สูงหรือต่ำ หนึ่งหรือศูนย์ สะอาด เรียบง่าย และทำงานได้อย่างสวยงามถึง 25G ต่อเลน แต่เมื่ออุตสาหกรรมพยายามผลักดัน NRZ ไปที่ 50G ระบบฟิสิกส์ก็หยุดให้ความร่วมมือ แผนภาพดวงตาพังทลายลง ความเท่าเทียมกันไม่สามารถติดตามได้ ต้นทุนการผลิตส่วนประกอบที่สามารถรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ความเร็วเหล่านั้นกลายเป็นสิ่งต้องห้ามสำหรับการใช้งานในปริมาณมาก

PAM4 แก้ไขปัญหาความเร็วด้วยการเข้ารหัสสองบิตต่อสัญลักษณ์ข้ามสี่ระดับแอมพลิจูด อัตรารับส่งข้อมูลเท่ากัน เป็นสองเท่าของข้อมูล สง่างามจริงๆ ยกเว้นตอนนี้ ตัวรับสัญญาณของคุณจะต้องแยกความแตกต่างระหว่างระดับแรงดันไฟฟ้าสี่ระดับ แทนที่จะเป็นสองระดับ และระยะห่างระหว่างระดับเหล่านั้นคือประมาณหนึ่งในสามของระดับแรงดันไฟ NRZ การคำนวณหาอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนที่แย่กว่าประมาณ 10dB นั่นไม่ใช่ข้อผิดพลาดในการปัดเศษ-นั่นคือความแตกต่างระหว่างลิงก์ที่ใช้งานได้กับลิงก์ที่ไม่ทำงาน

ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมตัวรับส่งสัญญาณ 400G ทุกตัวจึงส่งมาพร้อมกับการแก้ไขข้อผิดพลาดในการส่งต่อ ไม่ใช่ทางเลือก ไม่ใช่ "แนะนำสำหรับการเข้าถึงที่ยาวขึ้น" บังคับ. Reed-Solomon RS(544,514) FEC-ที่มาตรฐานเรียกว่า KP4 จะเพิ่มสัญลักษณ์พาริตีที่ช่วยให้เครื่องรับแก้ไขข้อผิดพลาดโดยไม่ต้องส่งสัญญาณซ้ำ หากไม่มีลิงก์ PAM4 จะไม่สามารถใช้งานได้

 

ฟอร์มแฟคเตอร์การเมือง

 

ฉันเคยนั่งอภิปราย QSFP{0}}DD กับ OSFP มากกว่าที่ฉันอยากจะจำ

ค่าย QSFP-DD โต้แย้งความเข้ากันได้แบบย้อนหลัง ถูกต้องแล้ว-คุณสามารถเสียบโมดูล QSFP28 ลงในกรง QSFP-DD ได้เลย และมันก็ใช้งานได้ การลงทุนด้านเลนส์ 100G ที่มีอยู่ของคุณไม่ได้ติดอยู่ที่เดียว ฟอร์มแฟคเตอร์มีขนาด 18.35 มม. x 89.4 มม. กะทัดรัดพอที่จะใส่พอร์ต 36 พอร์ตบนแผงด้านหน้าขนาด 1U ได้ นั่นคือ 14.4 เทราบิตต่อยูนิตชั้นวาง หากคุณเติมทุกช่อง สำหรับผู้ปฏิบัติงานที่ทำการอัพเกรดเพิ่มเติม นี่เป็นเรื่องสำคัญ

พรรคพวก OSFP ตอบโต้ด้วยพื้นที่ส่วนหัวระบายความร้อน ฟอร์มแฟคเตอร์ที่ใหญ่ขึ้น-22.58 มม. x 107.8 มม.-ให้พื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับการกระจายความร้อน และช่วยให้มีการออกแบบฮีทซิงค์ในตัวที่ QSFP-DD ไม่สามารถเทียบเคียงได้ ซองจ่ายไฟยืดได้ถึง 15-20W เทียบกับเพดาน 12-15W ของ QSFP-DD เมื่อคุณใช้งานระบบออพติกที่สอดคล้องกันหรือวางแผนสำหรับ 800G ขอบระบายความร้อนนั้นจะมีความเกี่ยวข้อง

NVIDIA ใช้ OSFP สำหรับ Quantum-2 InfiniBand Arista เสนอทั้งสองอย่าง Cisco และ Juniper ใช้ QSFP-DD เพื่อการสลับระดับองค์กร ตลาดไม่ได้เลือกผู้ชนะ และ ณ จุดนี้ก็อาจจะไม่เลือก ปัจจัยฟอร์มทั้งสองจะอยู่ร่วมกัน โดยให้บริการในส่วนต่างๆ ที่มีลำดับความสำคัญต่างกัน

อะไรเป็นตัวกำหนดทางเลือกของคุณจริงๆ? โดยปกติแล้วจะเป็นแพลตฟอร์มสวิตช์ที่คุณได้ตกลงไว้แล้ว

 

 

DR4 และ FR4 หมายถึงอะไรจริงๆ

 

ระบบการตั้งชื่อเป็นไปตามรูปแบบ แต่รูปแบบนั้นมีข้อยกเว้นที่ทำให้ผู้คนสะดุดอยู่ตลอดเวลา

DR4หมายถึงระยะการเข้าถึง 500- เมตรบนไฟเบอร์โหมดเดี่ยว- เลนแสงแบบขนานสี่เลน แต่ละเลนใช้ 100G PAM4 ที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร ขั้วต่อ MPO-12 ความงดงามของ DR4 คือความสามารถในการแยกส่วน โดยโมดูลหนึ่งสามารถแยกออกเป็นลิงก์ 100G-DR อิสระได้สี่ลิงก์โดยใช้สายเคเบิล fanout มีประโยชน์เมื่อเชื่อมต่อสวิตช์สไปน์ 400G กับพอร์ตลีฟ 100G ที่คุณยังไม่พร้อมที่จะอัปเกรด

FR4ขยายออกไปได้ถึง 2 กิโลเมตรโดยความยาวคลื่น-โดยมัลติเพล็กซ์สัญญาณ 100G สี่สัญญาณลงบนคู่ไฟเบอร์เส้นเดียว ระยะห่าง CWDM4 ที่ 1271, 1291, 1311 และ 1331nm ขั้วต่อ LC ดูเพล็กซ์แทน MPO เดินสายได้เป็นระเบียบมากขึ้น เข้าถึงได้ไกลขึ้น ต้นทุนสูงขึ้น

เอสอาร์8จัดการสถานการณ์มัลติไฟเบอร์ไฟเบอร์-เลน 50G แบบขนานแปดเลนบน OM4 สูงสุด 100- เมตร ขั้วต่อ MPO-16 ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อ ToR-to-server แบบสั้นซึ่งมีโครงสร้างพื้นฐานแบบมัลติโหมดอยู่แล้ว

ช่องว่างราคามีนัยสำคัญ โมดูล DR4 อาจมีปริมาณ 400-500 ดอลลาร์ FR4 ขยับขึ้นไปที่ 500-600 ดอลลาร์ LR4 เป็นระยะทาง 10 กม.? เพิ่มเป็นสองเท่าหรือมากกว่านั้น การระบุ LR4 สำหรับการปรับใช้ที่ระยะทางไกลที่สุดของคุณคือ 300 เมตร เป็นการสิ้นเปลืองเงินโดยไม่เกิดประโยชน์ในการดำเนินงาน

 

ภาษี DSP

 

โมดูลออปติคัล 400G ทุกโมดูลมีตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล แต่ละอัน. DSP จัดการฟีด-การปรับสมดุลไปข้างหน้า การปรับเสียงตอบรับการตัดสินใจ การกู้คืนนาฬิกาและข้อมูล และการเข้ารหัส/ถอดรหัส FEC ในโมดูลที่สอดคล้องกัน เพิ่มการชดเชยการกระจายตัวของสีและการจัดการการกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชัน

DSP ยังเผาผลาญพลังงานอีกด้วย เยอะมาก.

ในเครื่องรับส่งสัญญาณ 400G ทั่วไป DSP ใช้พลังงานมากกว่าครึ่งหนึ่งของการใช้พลังงานทั้งหมดของโมดูล โมดูล 10W อาจเห็น 5-6W ตรงไปที่การประมวลผลสัญญาณ Marvell, Broadcom และอดีต Inphi (ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Marvell) ต่างแข่งกันลดขนาดโหนดกระบวนการจาก 7 นาโนเมตรเป็น 5 นาโนเมตร ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานได้ประมาณ 20% แต่ไม่มีทางหลีกเลี่ยงความเป็นจริงพื้นฐานที่ว่า PAM4 ต้องการค่าใช้จ่ายในการคำนวณจำนวนมากในการทำงาน

บางรายในอุตสาหกรรมกำลังผลักดันออปติกแบบเสียบได้เชิงเส้น-โดยย้าย DSP ไปที่สวิตช์ ASIC เอง และใช้งานออปติกกำลัง-ที่ง่ายกว่าและต่ำกว่า ข้อโต้แย้งนี้สมเหตุสมผลตามทฤษฎี ข้อโต้แย้งเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของโมดูลและฝันร้ายในทางปฏิบัติของออปติกที่มีคุณสมบัติเหมาะสมบนแพลตฟอร์มสวิตช์ต่างๆ โดยไม่มีอินเทอร์เฟซ DSP ที่เป็นมาตรฐาน การอภิปรายนี้จะดำเนินต่อไปอีกหลายปี

 

 

Silicon Photonics เปลี่ยนแปลงเศรษฐศาสตร์

 

Intel และ Cisco เดิมพันตั้งแต่เนิ่นๆ กับซิลิคอนโฟโตนิกส์ และการเดิมพันนั้นก็ให้ผลตอบแทนที่ดี

เลนส์แยกแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องมีการประกอบด้วยตนเอง: ชิปเลเซอร์จากโรงงานผลิตหนึ่ง โมดูเลเตอร์จากอีกโรงงานหนึ่ง เครื่องตรวจจับแสงจากหนึ่งในสาม ทั้งหมดนี้เชื่อมโยงเข้าด้วยกันในการเต้นที่แม่นยำซึ่งไม่ได้ปรับขนาดอย่างสวยงาม ซิลิคอนโฟโตนิกส์ผสานรวมเอ็นจิ้นออปติคัลส่วนใหญ่เข้ากับแม่พิมพ์ซิลิกอนตัวเดียวโดยใช้กระบวนการผลิต CMOS มาตรฐาน

โมดูลโฟโตนิกส์ซิลิคอน DR4 400G- ที่จัดส่งในวันนี้จากผู้ขายหลายรายนำเสนอความประหยัดที่น่าสนใจสำหรับการปรับใช้แบบไฮเปอร์สเกล การใช้พลังงานลดลง-โมดูล DR4 ของซิลิคอนโฟโตนิกส์บางตัวถึงต่ำกว่า 8W ด้วย DSP ขนาด 7 นาโนเมตร การผลิตสามารถคาดการณ์ได้มากขึ้น การปรับปรุงผลผลิตแปลเป็นการลดต้นทุนโดยตรง

การจับ? ซิลิคอนทำเลเซอร์ได้แย่มาก ฟิสิกส์ bandgap ทางอ้อมไม่ได้ถูกยกเลิก ดังนั้นแม้แต่โมดูล "ซิลิคอนโฟโตนิกส์" ก็ยังใช้ชิปรับ InP หรือ GaAs ภายนอกแบบไฮบริด-ที่รวมอยู่ในแพลตฟอร์มซิลิคอน มันเป็นวิศวกรรมที่ชาญฉลาด แต่คำศัพท์เฉพาะเจาะจงกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริงเล็กน้อย

อาลีบาบาปรับใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์ 400G DR4 ตั้งแต่ปี 2020 โดย Intel อ้างว่าส่วนแบ่งตลาด 60% ในตัวรับส่งสัญญาณโฟโตนิกซิลิคอนสำหรับดาต้าคอม เส้นแนวโน้มสนับสนุนเทคโนโลยีนี้ให้มีส่วนแบ่งอย่างต่อเนื่อง

 

ความหนาแน่นของความร้อนเป็นปัญหาของทุกคนในตอนนี้

 

สวิตช์ 400G ที่มีการใช้งานเต็มรูปแบบทำให้เกิดความร้อนอย่างที่ไม่เคยคิดมาก่อนเมื่อทศวรรษที่แล้ว

รันตัวเลข: 32 พอร์ตของโมดูล 400G- DR4 ที่แต่ละพอร์ต 10-12W นั่นคือ 320-384W จากตัวรับส่งสัญญาณเพียงอย่างเดียว ก่อนที่จะพิจารณาค่าใช้จ่าย ASIC ของสวิตช์ หน่วยความจำ พัดลม และการแปลงพลังงาน ความหนาแน่นทางความร้อนในแถวศูนย์ข้อมูลเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าในรอบห้าปี วิศวกรสิ่งอำนวยความสะดวกไม่พอใจกับเรื่องนี้

ฟอร์มแฟคเตอร์ที่ใหญ่ขึ้นของ OSFP ช่วย-พื้นที่ผิวมากขึ้น ช่องการไหลเวียนของอากาศดีขึ้น และการออกแบบฮีทซิงค์ในตัว โมดูล QSFP-DD ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมระบายความร้อนของอุปกรณ์โฮสต์มากกว่า แนวทางทั้งสองไม่ผิด แต่การพิจารณาเรื่องอุณหภูมิควรแจ้งการตัดสินใจเกี่ยวกับฟอร์มแฟคเตอร์ของคุณอย่างแน่นอน หากคุณกำลังสร้างปริมาณงานแบนด์วิธสูง-ที่ยั่งยืน

การระบายความร้อนด้วยอากาศกำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดในทางปฏิบัติที่ความหนาแน่นเหล่านี้ การทำความเย็นด้วยของเหลว-เพลตเย็นบนสวิตช์ ASIC ที่อาจต้องแช่ทั้งแร็ค-ได้เปลี่ยนจากที่แปลกใหม่ไปสู่ราคาแพงเท่านั้น ความเชี่ยวชาญด้านโครงสร้างพื้นฐานและการบำรุงรักษาที่จำเป็นยังคงล่าช้าในการนำไปใช้

 

ความยืดหยุ่นในการฝ่าวงล้อม

 

ความสามารถประการหนึ่งที่สมควรได้รับความสนใจมากขึ้น: โมดูล 400G สามารถทำงานในการกำหนดค่าแยกส่วน โดยแสดงเป็นอินเทอร์เฟซที่มีอัตรา-ต่ำกว่าหลายอินเทอร์เฟซ

400G-DR4 สามารถแยกออกเป็นลิงก์ 100G-DR ได้สี่ลิงก์ MPO-ดูเพล็กซ์เบรกเอาต์ 12 ถึง 4xLC ควบคุมพัดลมด้วยพอร์ต DR4 เดียวออกไปยังคู่ SMF อิสระสี่คู่ สถาปนิกเครือข่ายชอบความยืดหยุ่นนี้สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความเร็วผสมและการอัปเกรดแบบเป็นช่วงๆ

ผลกระทบของสายเคเบิลที่มีโครงสร้างนั้นมีอยู่จริง หากคุณไม่ได้วางแผนสำหรับสถานการณ์ที่ฝ่าวงล้อมตั้งแต่วันแรก คุณจะต้องใช้สายแพตช์เฉพาะกิจ-ภายในหกเดือนหลังจากการปรับใช้ การออกแบบโรงงานไฟเบอร์ของคุณจำเป็นต้องรองรับกรณีการใช้งานเหล่านี้ในเชิงรุก

 

สุขอนามัยของตัวเชื่อมต่อมีความสำคัญมากกว่าที่คุณคิด

 

บางสิ่งเรียนรู้จากประสบการณ์อันเจ็บปวด:

ตัวเชื่อมต่อ MPO บนโมดูล DR4 และ SR8 ใช้การขัดเงา APC (การสัมผัสทางกายภาพแบบทำมุม) ตัวเชื่อมต่อ LC บน FR4 และ LR4 โดยทั่วไปจะเป็น UPC (การสัมผัสทางกายภาพเป็นพิเศษ) การผสมตัวเชื่อมต่อ APC และ UPC-ซึ่งทำได้ง่ายจนน่าตกใจโดยบังเอิญ- จะทำให้คุณสูญเสียการส่งคืนและข้อผิดพลาดเป็นระยะๆ ถึง 20dB+ ซึ่งทำให้ทีมแก้ไขปัญหาบ้าคลั่ง รหัสสีมีอยู่ด้วยเหตุผล: สีเขียวสำหรับ APC, สีน้ำเงินสำหรับ UPC

ความเข้ากันได้ของโมดูล EEPROM นั้นยุ่งกว่าที่ผู้จำหน่ายยอมรับ เครื่องรับส่งสัญญาณของบริษัทอื่นที่ "เข้ากันได้"- ซึ่งทำงานได้อย่างสมบูรณ์ในสวิตช์รุ่นหนึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในสวิตช์อีกเครื่องหนึ่งที่มี ASIC เดียวกันแต่มีเฟิร์มแวร์ต่างกัน สร้างเวลาการรับรองในกระบวนการจัดซื้อของคุณ

อุณหภูมิมีความสำคัญมากกว่าข้อมูลจำเพาะที่แนะนำ โดยทั่วไปโมดูลเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับอุณหภูมิเคสสูงถึง 70 องศา แต่ประสิทธิภาพจะลดลงก่อนที่คุณจะถึงเพดานนั้น การรักษาความเย็นจะทำให้มีพฤติกรรมสม่ำเสมอมากขึ้น

 

ที่ 800G เหมาะกับ

800G และ 1.6T ในที่สุดจะครองสภาพแวดล้อม AI/ML โดยมีความต้องการที่แตกต่างกันและงบประมาณที่แตกต่างกัน เครือข่ายส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องไล่ตามเส้นโค้งนั้นทันที

 

บรรทัดล่าง

 

โมดูลออปติคอล 400G ได้เปลี่ยนจาก Bleeding Edge มาเป็นโครงสร้างพื้นฐานหลัก การตัดสินใจด้านเทคโนโลยี-QSFP-DD เทียบกับ OSFP แบบคู่ขนานกับ WDM ซิลิคอนโฟโตนิกกับแบบแยกส่วน-ไม่มีความเสี่ยงแบบเดียวกับที่เคยทำเมื่อสามหรือสี่ปีที่แล้วอีกต่อไป

จับคู่ฟอร์มแฟคเตอร์กับกลยุทธ์แพลตฟอร์มสวิตช์ของคุณ เลือกประเภทตัวรับส่งสัญญาณตามความต้องการในการเข้าถึงจริง ไม่ใช่กรณีหวาดระแวงที่แย่ที่สุด- อย่าให้เกิน-ข้อกำหนด สร้างในระยะขอบความร้อน วางแผนโรงงานไฟเบอร์ของคุณสำหรับสถานการณ์การฝ่าวงล้อม และรักษาตัวเชื่อมต่อ MPO ของคุณให้สะอาด

ไม่กี่ปีข้างหน้าจะนำมาซึ่งการปรับปรุงที่เพิ่มขึ้น-DSP ที่ใช้พลังงานต่ำลง ผลผลิตซิลิคอนโฟโตนิกที่ดีขึ้น อาจมีการเคลื่อนไหวบางอย่างบนสถาปัตยกรรมแบบเสียบปลั๊กเชิงเส้นได้ แต่แพลตฟอร์มเทคโนโลยีพื้นฐานมีความเสถียรแล้ว. 400G เป็นเพียงโครงสร้างพื้นฐานในขณะนี้ ประเภทที่คุณสามารถวางแผนได้อย่างมั่นใจ

หลังจากหลายปีแห่งความโกลาหลของ 100G และความไม่แน่นอนของ 400G ความสามารถในการคาดการณ์นั้นมีความสำคัญต่อบางสิ่งบางอย่าง